【正文】 ........................................................................................................................ 40 致謝 .............................................................................................................................. 41 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 42 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 5 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第一章 緒論 隨著人類文明的發(fā)展 ， 現(xiàn)代工程技術(shù)也不斷進(jìn)步 ， 位于地下的 隧道 已 廣泛 受到交通領(lǐng)域?qū)I(yè)人員重視 ， 隧道以其明顯的優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用在山區(qū)鐵路修建過(guò)程中以克服高程障礙。目前我國(guó)鐵路 隧道 無(wú)論在數(shù)量上 ， 還是在總長(zhǎng)度上均已處于世界領(lǐng)先地位。因此 ， 對(duì)鐵路 隧道 涉及相關(guān)技術(shù)研究的需求迫在眉睫。鐵路工程地質(zhì)研究者們希望通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一個(gè)以基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)、信息可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等的三維地質(zhì)建模與可視化系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) (Computer Simulation Technology)是指利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型 ， 并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù) 。 近年來(lái) ， 隨著系統(tǒng)科學(xué)研究的深入以及控制理論、計(jì)算技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與 技術(shù)的發(fā)展 ， 已使計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)成為一門新興的學(xué)科 。 三維仿真系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) ， 通過(guò)模擬施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、環(huán)境等關(guān)鍵要素 ， 創(chuàng)建仿真場(chǎng)景 ， 并以此為平臺(tái) ， 直觀的進(jìn)行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)點(diǎn)分析和控制措施布置 ， 解決了以往平面顯示對(duì)復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行安全措施及危險(xiǎn)點(diǎn)的分析情況等反應(yīng)不全面的問(wèn)題 ， 為檢修方案的制定 ， 安全措施的布置 ， 人員的分工安排等提供一個(gè)逼真的模擬現(xiàn)場(chǎng) ， 方便施工管理人員和技術(shù)人員進(jìn)行施工前 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 6 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的技術(shù)交底、班前會(huì)的召開(kāi) ， 能夠?yàn)楣ぷ魅藛T提供一個(gè)三維的仿真現(xiàn)場(chǎng) ， 使其身臨其境 ， 是現(xiàn)場(chǎng)工作的較好的應(yīng)用軟件 。 數(shù)字公路的興起 ， 研究開(kāi)發(fā)一種快速三維可視化仿真方法實(shí)現(xiàn)公路及其隧道的可視化具有相當(dāng)重要的意義 。 三維地質(zhì)建模 ， 就是將地質(zhì) ， 測(cè)井 ， 地球物理資料和各種解釋結(jié)果或者概念模型綜合在一起 ， 應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù) ， 在三維環(huán)境下將空間信息、地質(zhì)信息等結(jié)合圖形可視化軟件等工具 ， 生成三維定量模型。長(zhǎng)期以來(lái)，地質(zhì)建模和可視化一直受到各國(guó)科學(xué)家的重視，并且從九十年代起有了迅速的發(fā)展。 19961999 年在英國(guó) Leeds、新西蘭 Otago、英國(guó) Bristot、美國(guó)弗吉尼亞州Fredericsburg 分別舉行了地質(zhì)計(jì)算機(jī)會(huì)議，其內(nèi)容包括地質(zhì)建模、地形模擬和地形可視化。會(huì)議上， Graeme BonhamCarter 等強(qiáng)調(diào)了地質(zhì)材質(zhì) 3D 重建、地質(zhì)建模及地形可視化的重要性。以 Simon W． Houlding 為代表，《三維地學(xué)建模：地質(zhì)特征描 述的計(jì)算機(jī)技術(shù)》一書中充分反映了他的研究成果。 ESRI 在組件式GIS 方面也作了新的探索。 國(guó)內(nèi)在地質(zhì)建模和地形可視化方面并不如發(fā)達(dá)國(guó)家研究的那么早，國(guó)內(nèi)應(yīng)用普及率尚還不高。從 1992 年開(kāi)始，北京大學(xué)開(kāi)展三維地質(zhì)空間信息系統(tǒng)研究計(jì)劃 (Geological Spatial Information System， GSIS) 建立了供地質(zhì)信息分享、數(shù)據(jù)處理分析處理、輔助科學(xué)研究和教學(xué)的信息系統(tǒng) ； 唐中實(shí)等分析了當(dāng)前實(shí)現(xiàn)三維地形可視化的主要方法 ； 李青元、曹代勇等提出了五種可視化地質(zhì)模型來(lái)顯示地層模型，包括三維景觀方式、切面方式、透視三維景觀方式、掀蓋三維景觀方式和等高線方式 ； 黃地龍等將人機(jī)交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像技 術(shù)及工程地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)引入進(jìn)來(lái)，很大程度上擴(kuò)展了人們對(duì)復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)空間的認(rèn)識(shí) ；李建華、邊馥苓 等提出了單元分解表示方法 (CE)、構(gòu)造實(shí)體幾何法 (CSG)和邊界表示法(BReps)等數(shù)據(jù)建模思想 ， 并給出了可視化方案的實(shí)現(xiàn) ， 驗(yàn)證了其在工程地質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的合理性 ； 鄭小武等將傳統(tǒng)的層序地層分析方法與三維可視化技術(shù)相結(jié)合 ， 研究油田復(fù)雜的層序地層關(guān)系 ； 程朋根、劉少華、襲健雅丨等人提出了基于似三棱柱體元模型 ， 研究了矢量與柵格集成的面向?qū)ο蟮娜S數(shù)據(jù)模型 ； 詹振炎等利用CAD(Computer Aided Design)建立三維模型 ， 利用 3DSMAX 等圖形處理軟件對(duì)模型進(jìn)行后期處理 ， 完成鐵路的三維可視 ； 呂?？忍岢隽四軌驖M足險(xiǎn)道三維建?？焖傩?、多樣性和交互性要求的 ， 基于參數(shù)化建模的隨道三維建模 ； 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的吳信才、朱良峰等借助 MAPGISTDE 強(qiáng)大的可視化開(kāi)發(fā)平臺(tái) ， 開(kāi)發(fā)研制了集地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、二維地質(zhì)分析、地質(zhì)斷面處理、地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模和地質(zhì)屬性建模等 5 大功能模塊的三維建模系統(tǒng)。由中國(guó)科學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)及勝利油田聯(lián)合研制了復(fù)雜地質(zhì)體 深度成像軟件(Complex Geologic object Depth Imaging Software， CGOD)， 它提出了一種有效的方法使利用 AVS (Advanced Visual Systems)軟件實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用程序的集成成為可能 ； 天津大學(xué)鐘登華教授開(kāi)發(fā)研制了 VisualGeo， 即水利水電工程地質(zhì)建模與分析系統(tǒng) ， 其思想是建立在 NURBS 曲面構(gòu)模技術(shù)上 ， 用它擬合具有復(fù)雜構(gòu)造的地質(zhì)曲面 ， 該系統(tǒng)在 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 8 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 溪洛渡、龍灘、白鶴灘等大型水利水電工程中得以應(yīng)用 ： 華北油田的 KDSYS 系統(tǒng)具有使用界面友好靈活 ， 適應(yīng)我國(guó)獨(dú) 特的地質(zhì)情況。 本文的研究思路為：首先 對(duì) 隧道 三維仿真系統(tǒng)建模的理論基礎(chǔ)做一個(gè)介紹 ；明確仿真系統(tǒng)的建模原則及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) ， 針對(duì)不同的 隧道 類型 ， 對(duì)隧道的具體部分構(gòu)造 進(jìn)行建模分析 ；其次分析 隧道的橫斷面及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ，并介紹 隧道的繪制方法 。接著分析隧道 橫通道的數(shù)學(xué)模型 ， 利用 OpenGL 繪圖函數(shù) ，繪出 隧道的通道門及其橫通道 。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 9 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第二章 隧道三維建模的理論基礎(chǔ) 本章將對(duì) 隧道 三維仿真系統(tǒng)建模的理論基礎(chǔ)做一個(gè)介紹 ， 主要有有理 B 樣條方法、黃金分割法和真實(shí)感圖形技術(shù) 。 B樣條方法 非均勻有理 B 樣條 (NonUniform Rational BSpline)方法 ， 簡(jiǎn)稱 NURBS 方法 ， 采用分子分母分別是分段參數(shù)多項(xiàng)式與分段多項(xiàng)式函數(shù)的分式表示 ， 是有理的 。 首末權(quán)因子 0 0n???， ， 其余 i 0?? ， 為防止分母為零、保留凸包性質(zhì)及曲線不致因權(quán)因子而退化為一點(diǎn) ， 順序 k 個(gè) 權(quán)因子不能同時(shí)為零 。 , ()ikN ? 是由節(jié)點(diǎn)矢量 ? ?01, , ,i n kU ? ? ? ??? ??? ???按如下遞推公式?jīng)Q定的 k 次規(guī)范 B 樣條基函數(shù) 。 且在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用里 ， 端節(jié)點(diǎn)值分別取為 0 與 1。 特殊地 ， 當(dāng) n=k 時(shí)， k 次 NURBS 曲線就稱為 k 次有理貝齊爾曲線 。 如果權(quán)因子 11,0n??? ? ， 曲線首末端點(diǎn)分別就是控制多邊形首末頂點(diǎn) ， 曲線在首末端點(diǎn)處分別與控制多邊形首末邊相切 。 定義：設(shè) ()fx是區(qū)間 ? ?,ab 上的一元函數(shù)， x 是 ()fx在 ? ?,ab 上的極小點(diǎn)，且對(duì)任意的 1x ， 2x ? ? ?,ab ， 12xx? ，有 （ a） 當(dāng) 2xx? 時(shí)， 12( ) ( )f x f x? ； （ b） 當(dāng) 1xx? 時(shí)， 12( ) ( )f x f x? 。 性質(zhì)：通過(guò)計(jì)算區(qū)間 ? ?,ab 內(nèi)兩個(gè)不同點(diǎn)的函數(shù)值， 就可以確定一個(gè)包含極小點(diǎn)的 子 區(qū)間 。任取點(diǎn)? ?,c d a b?? ，則有 （ a） 如果 ( ) ( )f c f d? ，則 ? ?,x cb? ； 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 11 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ b） 如果 ( ) ( )f c f d? ，則 ? ?,x ad? 。 下面推導(dǎo)黃金分割法的計(jì)算公式 。假設(shè)進(jìn)行第 k 次迭代前? ?,kkx a b? ，取 ? ?,kkab??? ，規(guī)定 kk??? 。 要確定 k? 和 k? ， 要求其滿足以下兩個(gè)條件 ： （ 1） k k k kba??? ? ? （ ） （ 2） 每次迭代區(qū)間長(zhǎng)度 縮短 比率相同 ， 即 11 ()k k k kb a b a???? ? ? ( 0)?? （ ） 由式 ()與 ()可得 ： ( 1 ) ( )k k k ka b a??? ? ? ? （ ） ()k k k ka b a??? ? ? （ ） 下面介紹 ? 值的確定 。 （ a） 設(shè)在第 k 次迭代時(shí)有 ( ) ( )kkff??? ，則有 ? ? ? ?11,k k k ka b a ??? ? 。 （ b） 若在第 k 次迭代時(shí)有 ( ) ( )kkff??? ，同理可得。令 1 1 1 2( )a b a? ? ? ?， 1 1 1 8 ( )a b a? ? ? ? 計(jì)算 1()f? 與 1()f ? ，并令 k=1。否則，當(dāng) ( ) ( )kkff??? 時(shí)，轉(zhuǎn)（ 3）；當(dāng) ( ) ( )kkff??? 時(shí)，轉(zhuǎn)（ 4）。 （ 4） 令 1kkaa? ? ， 1kkb ?? ? ， 1kk??? ? ， 1 1 1 2( )k k k ka b a? ? ? ? ?? ? ?，計(jì)算1()kf ?? ，令 k=k+1，轉(zhuǎn)（ 2）。 黃金分割法適用于 ? ?,ab 區(qū)間上的任何單峰函數(shù)求極小值問(wèn)題 。 因此 ， 這種方法的適應(yīng)面相當(dāng)廣 ?，F(xiàn)階段在國(guó)際領(lǐng)域通用性較好的有三類可視化軟件 ： (1)可視化的開(kāi)發(fā)子程序庫(kù) ； (2)專用可視化工具 ； (3)通